Analoge Schaltungspraxis Stromrückgekoppelte Operationsverstärker stabil halten

Mit acht Tipps für die Operationsverstärkerschaltungen lassen sich stabile ohne Mathematik der zugrundeliegenden Prinzipien Verstärkerschaltungen konzipieren.
Acht Tipps für stabil arbeitende Operationsverstärkerschaltungen.

Mit acht Tipps lassen sich stromrückgekoppelte Operationsverstärkerschaltungen realisieren, die mit hoher Stabilität arbeiten. Wer diese Empfehlungen befolgt, kann stabile Verstärkerschaltungen konzipieren, ohne sich mit der Mathematik der zugrundeliegenden Prinzipien auseinandersetzen zu müssen.

Stromrückgekoppelte Operationsverstärker (Current Feedback Amplifier, CFA) können hohe Verstärkungsspitzen aufweisen und instabil werden oder sogar aus verschiedenen Gründen Eigenschwingungen entwickeln. Die beiden Hauptursachen für die Instabilität solcher Operationsverstärker sind ein zu geringer Wert des Rückkopplungswiderstands und parasitäre Eingangs- und Ausgangskapazitäten in Bezug auf die Masse.

Kleine Kapazitäten führen dazu, dass der Frequenzgang des Verstärkers bei hohen Frequenzen einen Spitzenwert erreicht, hohe Kapazitätswerte dagegen regen Eigenschwingungen an, so dass jegliche Eingangssignalstimuli ignoriert werden.

Es gibt drei Hauptmöglichkeiten, um die Auswirkungen parasitärer Kapazitäten auf die Stabilität des stromrückgekoppelten Operationsverstärkers (OPV) zu minimieren:

  1. Einsatz eines geeigneten Leiterplattenlayouts zur Minimierung parasitärer Kapazitäten auf der Leiterplatte und an den Tastköpfen.
  2. Befolgen der vom Hersteller des stromrückgekoppelten Operationsverstärkers angegebenen Rückkopplungs- und Widerstandswerte, da diese eine ausreichende Phasenreserve bieten, um kleine parasitäre Kapazitäten zu tolerieren.
  3. Einsatz von Kompensationsverfahren, die Frequenzgang- und Überschwingspitzen in der Impulsantwort minimieren.

Tipps für das Leiterplattenlayout

Um eine optimale Leistung mit stromrückgekoppelten Operationsverstärkern zu erreichen, müssen sowohl die parasitären Elemente der Leiterplatte beim Entwurf als auch die Typen der externen Komponenten und die Widerstandswerte sorgfältig beachtet werden. Die folgenden Empfehlungen, die in den Bildern 1 und 2 dargestellt sind, helfen bei der Optimierung der Schaltung:

  • Stabilisieren der Stromversorgung an den IC-Anschlüssen mit Entkopplungskondensatoren für niedrige und hohe Frequenzen. Für hohe Frequenzen sollten ein 100-nF- und ein 100-pF-Kondensator parallelgeschaltet und weniger als 6 mm vom Versorgungsspannungspin entfernt platziert werden. Für niedrige Frequenzen empfehlen sich 6,8-μF-Tantalkondensatoren, die weiter vom Verstärker-IC entfernt platziert werden können. Sie können auch gemeinsam mit anderen ICs genutzt werden. Dabei sind schmale Versorgungsspannungs- und Masseleiterbahnen zu vermeiden, um die Leiterbahninduktivität zu minimieren, insbesondere zwischen den Stromversorgungsanschlüssen des ICs und den Entkopplungskondensatoren.
  • Da die Ausgänge und der invertierende Eingang des stromrückgekoppelten Verstärkers am empfindlichsten auf parasitäre Kapazitäten reagieren, sollten der Serienwiderstand im Ausgang RS (falls erforderlich) in der Nähe des Ausgangsanschlusses und der Rückkopplungs- sowie der Verstärkungswiderstand (RRK und RV) nahe beim invertierenden Eingang angeordnet werden. Diese Widerstände verringern den Einfluss von jeglicher Leiterbahnkapazität auf die Anschlüsse des OPV-ICs.
  • Zudem sollten im Layout Platzhalter für einen Eingangswiderstand (RE) und einen Eingangskondensator (CE) am nicht-invertierenden Eingang vorgesehen werden. Diese können erforderlich sein, um die durch die parasitäre Kapazität (CPI) am invertierenden Eingang verursachte Resonanzüberhöhung des Frequenzgangs zu kompensieren.
  • Darüber hinaus ist zu ermitteln, ob ein Ausgangswiderstand RS erforderlich ist. Geringe parasitäre kapazitive Lasten (<5 pF) benötigen oft keinen RS. Auch höhere parasitäre Ausgangskapazitäten lassen sich ohne RS ansteuern, erfordern aber eine höhere Regelkreisverstärkung.
  • Um den Aufbau von massebezogenen AC-Kapazitäten zu minimieren, sollten an den Ein- und Ausgangsanschlüssen des OPV-ICs masse- und versorgungsspannungsfreie Bereiche vorgesehen werden. An anderen Stellen auf der Leiterplatte sollten die Kupferflächen für Masse und Stromversorgung nicht unterbrochen werden.
  • Jeder Testpunkt sollte über einen Widerstand von 100 Ω mit der zu messenden Leiterbahn verbunden werden. Dieser Widerstand verringert den Einfluss der Tastkopfkapazität des Oszilloskops auf die Signalleitung.

Anwendung der spezifizierten RRK-Werte

Die Hersteller von stromrückgekoppelten OPV-ICs geben üblicherweise mehrere Werte für den Rückkoppelwiderstand RRK an, die jeweils einer anderen Verstärkungseinstellung entsprechen. Werden die empfohlenen Widerstandswerte gewählt, lässt sich eine optimale Leistung erzielen – ohne oder nur eine geringe Resonanzüberhöhung des Frequenzgangs und ohne Bandbreiteneinschränkung.

Ein Abweichen von diesen Werten verändert das Verhalten des Verstärkers. Bild 3 verdeutlicht den Einfluss unterschiedlicher RRK-Werte bei einem Verstärkungsfaktor V = 2. Mit dem vom IC-Hersteller spezifizierten Wert für RRK (1,1 kΩ) ist der Verstärkungsverlauf optimal.

Bei einer Anhebung von RRK auf 1,5 kΩ kommt es jedoch zu einer Verringerung der Bandbreite und bei einer Absenkung von RRK auf 600 Ω zu einer Resonanzüberhöhung im Frequenzgang.

Kompensation der Einflüsse von parasitären Kapazitäten

Um zwischen der parasitären Kapazität am invertierenden Eingang (CPI) und am Ausgang (CPA) zu unterscheiden, kann die Impulsantwort getestet werden. Die parasitäre Kapazität CPI, die in der Regel kleiner als die parasitäre Kapazität CPA ist, verursacht kurze Signalüberschwinger, wogegen die parasitäre Kapazität CPA oft zu einem längeren Signalüberschwingen – auch Signal Ringing genannt – führt (Bild 4). Die Situation verhält sich umgekehrt, wenn CPI > CPA. Dies ist jedoch nur selten der Fall.